高溫下灌漿料抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

鄒宇馳，毛小勇

（蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州215011）

灌漿料是一種以高強(qiáng)度材料為骨料，以水泥基材料為結(jié)合劑，加入外加劑和礦物摻合料等而成的一種干混料。灌漿料具有自流性好，快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)、不泌水、自密性好，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于預(yù)制裝配式混凝土的節(jié)點(diǎn)灌漿連接。

從20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)就開展了灌漿料的研究工作，并出臺(tái)了多項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)灌漿料常溫下的物理性能、水化機(jī)理等方面開展了較多的研究，比如：M.Sahmaran等[6]提出摻入某些礦物摻合料和高效減水劑可以配制出性能優(yōu)異的灌漿料；徐長(zhǎng)偉[7]研究了摻入磷渣粉對(duì)灌漿料力學(xué)性能的影響。

火災(zāi)高溫作用下，材料性能發(fā)生劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。對(duì)于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)區(qū)在高溫下的損傷情況與灌漿料高溫下的性能密切相關(guān)，目前的高溫下材料性能研究主要集中于普通混凝土，如覃麗坤等[8-9]對(duì)C50和C65兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行高溫下抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究；部分學(xué)者也開展了高溫后灌漿料的性能研究，比如：袁廣林等[10]研究了高性能水泥基灌漿材料高溫后抗壓強(qiáng)度的退化規(guī)律；然而，對(duì)灌漿料高溫下的性能還知之甚少。

基于上述情況，本文開展了高溫下灌漿料抗壓性能試驗(yàn)研究，獲得了抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等高溫下灌漿料的力學(xué)性能參數(shù)。研究成果可為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗火性能研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

采用了2種強(qiáng)度等級(jí)的灌漿料（標(biāo)準(zhǔn)型無收縮灌漿料C65型，超高強(qiáng)無收縮灌漿料C80型），設(shè)置為4個(gè)溫度點(diǎn)，即室溫（20℃）、200℃、400℃和600℃，每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)制作了3個(gè)平行試件，共計(jì)24個(gè)試件。試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，試件詳細(xì)參數(shù)見表1所列。

1.2 試件制作

試驗(yàn)采用的灌漿料由青島卓能達(dá)建筑科技有限公司提供。首先，試件按一定的質(zhì)量比，即水∶灌漿料=11.5∶100的比例進(jìn)行混合，機(jī)械攪拌4 min，倒入100 mm×100 mm×300 mm的模具進(jìn)行澆筑；24 h后拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。由于灌漿料制作的試件具有高密實(shí)性，在高溫下極易出現(xiàn)爆裂情況，根據(jù)蒸汽壓力理論，含水率是爆裂的主要影響因素之一[11]，故在抗壓試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行預(yù)烘干處理。為了防止烘干溫度過高對(duì)灌漿料力學(xué)性能產(chǎn)生影響，在恒溫60℃下進(jìn)行烘干處理，烘干的方法依據(jù)《建筑材料及制品的濕熱性能含濕率的測(cè)定烘干法》[12]進(jìn)行，將試件的含水量從3.9%降至1.4%。制作完成的灌漿料試件如圖1所示。

表1 力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)及試件數(shù)量

1.3 試驗(yàn)設(shè)備和裝置

圖1 灌漿料抗壓試件

烘干設(shè)備為上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，如圖2所示。升溫設(shè)備用吉林省三度試驗(yàn)設(shè)備有限公司的高溫試驗(yàn)爐，其內(nèi)部外觀如圖3所示；爐箱與爐膛中間有特制的隔熱層，可以降低試驗(yàn)時(shí)爐膛內(nèi)熱量的流失。并且試驗(yàn)爐的爐膛分上、中、下三段，每段分別設(shè)有熱電偶，可以通過溫控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控爐膛內(nèi)的溫度，如圖4所示。預(yù)埋有熱電偶的灌漿料試件中心的溫度采用TST3828EN動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，溫度控制系統(tǒng)如圖5所示。

試驗(yàn)采用的加載設(shè)備為深圳凱強(qiáng)利公司生產(chǎn)的100 t液壓試驗(yàn)機(jī)，如圖6所示（加載示意見圖7）。加載裝置的上部壓頭和下部壓頭外都設(shè)置有冷卻盤，通過水泵加壓提供內(nèi)部循環(huán)水。上下壓頭采用特制的耐高溫合金制成，并在高溫下不易變形。由于高溫下難以精確測(cè)量爐膛內(nèi)的灌漿料棱柱體試件的軸向變形，通過特制耐高溫合金導(dǎo)桿架連接在上下壓頭，再通過電子引伸計(jì)將變形傳遞到計(jì)算機(jī)，電子引伸計(jì)如圖8所示。

圖2 電熱鼓風(fēng)干燥箱

圖3 高溫試驗(yàn)爐

圖4 溫度控制系統(tǒng)

圖5 溫度采集儀

圖6 高溫加載裝置

圖7 高溫加載裝置示意圖

圖8 電子引伸計(jì)

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用恒溫加載方案?？紤]到過快的升溫速率會(huì)導(dǎo)致試件內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，易造成灌漿料試件的爆裂，故將本次試驗(yàn)的升溫速率設(shè)定為8℃/min。

灌漿料是一種熱惰性材料，在升溫過程中，熱量傳遞到灌漿料內(nèi)部需要一定的時(shí)間。為了使試件內(nèi)外溫度均勻，在爐溫達(dá)到設(shè)置溫度之后，還需要恒溫一段的時(shí)間。為了確定合理的恒溫時(shí)長(zhǎng)，預(yù)先制備了3個(gè)相同尺寸的試件，并在試件中心部位預(yù)埋熱電偶，測(cè)定試件中心達(dá)到高溫200℃、400℃、600℃所需要的時(shí)間。升溫過程中爐溫和試件中心測(cè)點(diǎn)的升溫曲線如圖9所示，可以看出，在升溫到200℃、400℃、600℃三個(gè)溫度點(diǎn)之后，還需分別恒溫約140 min、105 min和100 min以上。

達(dá)到恒溫時(shí)間后，試件內(nèi)外溫度一致，然后開始加載；試驗(yàn)采用位移加載制度進(jìn)行連續(xù)加載。在高溫下，灌漿料會(huì)膨脹、易破壞，故試驗(yàn)加載速率不可過大；加載速率設(shè)置為1.1mm/min，加載直到試件破壞。

圖9 爐溫和試件中心升溫曲線

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

升溫超過100℃之后，有少量的白色水蒸汽從爐中散發(fā)出來，這些水汽主要是試塊表面的水分。隨著溫度的升高，水汽溢出依然不明顯。在升溫過程中，灌漿料會(huì)散發(fā)出少量的刺激性氣味，這是由于灌漿料中添加的成分在高溫下發(fā)生了分解。預(yù)先烘干處理后的試件，在升溫過程中均未發(fā)生爆裂。

通過3個(gè)中心預(yù)埋熱電偶試塊在高溫作用后的表觀特征發(fā)現(xiàn)，隨著灌漿料試件從20℃上升到600℃，其表面逐漸從深灰色向淺黃色變化。在200℃高溫作用之后，灌漿料試件的表面并無明顯裂紋，試件表面顏色向灰白色轉(zhuǎn)變。在400℃高溫作用之后，灌漿料試件的表面向淺黃色轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)了極細(xì)小的裂紋。在600℃高溫作用后，灌漿料試件表面顏色由淺黃色略有加深，并且裂紋逐漸變長(zhǎng)、增多、變寬。

加載結(jié)束時(shí)并冷卻到室溫后，試塊破壞特征如圖10與圖11所示?？梢钥吹?，試件大多為沿著斜對(duì)角線的主裂縫剪切破壞。在相同溫度下，C65型和C80型兩種灌漿料破壞模態(tài)相似。與普通混凝土相比，試驗(yàn)溫度小于400℃時(shí)，灌漿料的破壞表現(xiàn)出明顯的脆性。在室溫20℃下受壓破壞時(shí)試塊瞬間崩裂，聲響巨大；在200℃高溫下受壓破壞瞬間，和室溫下破壞相似，聲音很大極大，試塊崩裂時(shí)伴隨大量白色水汽散發(fā)出來。隨著溫度的進(jìn)一步升高，破壞時(shí)的聲音略有減小，試件更加完整。400℃不再整體崩裂。600℃破壞時(shí)，聲音明顯減小，試塊完整，略有邊角缺損，且表面疏松有裂紋，破壞時(shí)呈現(xiàn)明顯的塑性。

圖10 試塊爆裂

圖11 高溫下試件軸壓破壞模態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度對(duì)灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

C65型和C80型兩種灌漿料棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖12所示，其縱坐標(biāo)為三個(gè)平行試件軸心抗壓強(qiáng)度的平均值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種灌漿料試件的軸心抗壓強(qiáng)度均隨著溫度升高而不斷降低，T≤400℃時(shí)下降趨勢(shì)近似線性，在400～600℃之間抗壓強(qiáng)度顯著下降。隨著溫度升高，C65型和C80型兩種灌漿料的軸心抗壓強(qiáng)度逐漸接近。高溫下灌漿料的強(qiáng)度下降主要原因是試件中細(xì)骨料和膠凝材料的熱膨脹率和變形不協(xié)調(diào)，并且隨著溫度升高，在試件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。

為了更加直觀地分析高溫下灌漿料軸心抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的折減規(guī)律，圖13給出了C65型和C80型兩種灌漿料試件的軸心抗壓強(qiáng)度相對(duì)值隨溫度變化的曲線，其中縱坐標(biāo)相對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度fcT/fc表示在高溫下灌漿料的試件的抗壓強(qiáng)度與常溫時(shí)抗壓強(qiáng)度的比值。可以發(fā)現(xiàn)，兩種強(qiáng)度的灌漿料試件的軸心抗壓強(qiáng)度隨溫度升高的折減規(guī)律相似，并且C80型灌漿料比C65型折減略快，兩種材料在溫度T≤400℃時(shí)近似呈現(xiàn)為線性折減，溫度高于400℃時(shí)折減明顯，說明灌漿料性能在400～600℃之間呈現(xiàn)明顯劣化。

3.2 溫度對(duì)灌漿料彈性模量的影響

以試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線中0.4倍峰值應(yīng)力處的切線斜率作為試件的彈性模量，C65型和C80型兩種灌漿料的彈性模量隨溫度的變化規(guī)律如圖14所示，圖中彈性模量為三個(gè)平行試件的平均值?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，C65型和C80型兩種灌漿料的彈性模量均不斷降低，且C80型灌漿料的彈性模量始終大于C65型灌漿料的。在20℃＜T≤200℃和400℃＜T≤600℃區(qū)間，C65型和C80型灌漿料的彈性模量下降平緩。在200℃＜T≤400℃之間時(shí)，C65型灌漿料的彈性模量下降尤其顯著，而C80型灌漿料的彈性模量下降較為顯著。高溫下試件中的細(xì)骨料和膠凝材料粘結(jié)作用減弱，當(dāng)超過一定溫度后試件的表面和內(nèi)部均開始產(chǎn)生裂縫，并逐步發(fā)展，導(dǎo)致彈性模量隨溫度升高而不斷降低。

為了更加直觀地分析在高溫下灌漿料的彈性模量隨溫度變化的折減規(guī)律，圖15給出了C65型和C80型兩種灌漿料相對(duì)彈性模量隨溫度的變化曲線，在圖15中，縱坐標(biāo)相對(duì)彈性模量EcT/Ec表示高溫下灌漿料彈性模量與其常溫時(shí)的比值。可以發(fā)現(xiàn)，灌漿料的彈性模量的折減規(guī)律為隨溫度升高近似呈線性降低。當(dāng)20℃＜T≤200℃時(shí)，C65型和C80型兩種灌漿料的折減速率均較慢，且C65型下降速率比C80型更慢。當(dāng)200℃＜T≤400℃時(shí)，兩種型號(hào)灌漿料折減速率較20～200℃均有所增加，且C65型下降速率比C80型更快。當(dāng)400℃＜T≤600℃時(shí)，兩種型號(hào)灌漿料折減速率均再次降低，且C65型下降速率比C80型更快。彈性模量折減速率減慢是由于此時(shí)灌漿料試件在軸向壓力的作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊壓密實(shí)，故其變形無法以200～400℃時(shí)的速率持續(xù)增大。

圖12 軸心抗壓強(qiáng)度-溫度

圖13 軸心抗壓強(qiáng)度相對(duì)值-溫度

圖14 彈性模量-溫度

圖15 彈性模量相對(duì)值-溫度

3.3 溫度對(duì)灌漿料峰值應(yīng)變的影響

灌漿料棱柱體的峰值應(yīng)變?nèi)∪齻€(gè)平行試件在各自應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)應(yīng)變的平均值。圖16給出了C65型和C80型兩種灌漿料試件峰值應(yīng)變隨溫度變化曲線?？梢钥闯?，在20℃＜T≤200℃時(shí)，隨著溫度的升高，C65和C80兩種灌漿料峰值應(yīng)變大小和變化規(guī)律均略有增大，但增大不明顯。在200℃＜T≤400℃之間時(shí)，峰值應(yīng)變均顯著增大，并且C65型灌漿料比C80型灌漿料的增大速率更快。在400℃＜T≤600℃時(shí)，兩種材料的峰值應(yīng)變繼續(xù)增大，但變化速率有所減小。峰值應(yīng)變?cè)龃蟮脑蚴怯捎诟邷亟档土斯酀{料試件中的細(xì)骨料與膠凝材料之間的粘結(jié)作用，并在高溫下無法同步細(xì)骨料和膠凝材料變形。

為了更直觀地分析高溫下峰值應(yīng)變相對(duì)于常溫時(shí)的折減規(guī)律，圖17給出C65型和C80型兩種灌漿料試件相對(duì)峰值應(yīng)變隨溫度的變化曲線，圖中灌漿料相對(duì)峰值應(yīng)變?chǔ)與T/εc即為高溫下的峰值應(yīng)變與其常溫時(shí)的比值?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，兩種灌漿料相對(duì)峰值應(yīng)變?cè)?0℃＜T≤200℃時(shí)大小和變化規(guī)律均相似，均略有增大，但不明顯。在200℃＜T≤400℃之間時(shí)，相對(duì)峰值應(yīng)變均顯著增大，并且C65型灌漿料比C80型灌漿料的增大速率更快。在400℃＜T≤600℃時(shí)，兩種材料的相對(duì)峰值應(yīng)變變化規(guī)律均相似，均繼續(xù)增大，但增大速率減小，并且C65型灌漿料相對(duì)應(yīng)變值比C80型灌漿料大。灌漿料的峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的原因是隨著溫度的升高，灌漿料在其內(nèi)部及表面同時(shí)產(chǎn)生裂縫并逐漸發(fā)展。

圖16 峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系

3.4 灌漿料應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

圖17 峰值應(yīng)變相對(duì)值-溫度

C65型和C80型兩種試件在4個(gè)溫度點(diǎn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖18所示?？梢钥闯觯S著溫度的升高，C65型和C80型兩種灌漿料的變化規(guī)律相似，其峰值應(yīng)力均逐漸減小，峰值應(yīng)變均逐漸增大，彈性模量均不斷減小。當(dāng)試驗(yàn)溫度不超過400℃時(shí)，試件受壓達(dá)到峰值應(yīng)力后試件立刻崩壞，試件不再完整，表現(xiàn)出明顯的脆性，故曲線的下降段較短。然而高溫600℃時(shí)的曲線表現(xiàn)出明顯的塑形，其破壞時(shí)為延性破壞，即超過400℃后灌漿料出現(xiàn)明顯“軟化”現(xiàn)象，故曲線的下降段較長(zhǎng)。并且隨著溫度的逐漸升高，曲線向扁平化發(fā)展，且曲線的上升逐漸平緩。

圖19給出了C65型和C80型兩種灌漿料試件4個(gè)溫度點(diǎn)的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖中的縱坐標(biāo)σ/fcT表示該溫度點(diǎn)下應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，橫坐標(biāo)ε/εcT表示該溫度點(diǎn)下應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值?？梢钥闯?，在曲線的上升段，當(dāng)T≤400℃時(shí)，歸一化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均近似為線性，而在600℃時(shí)，C65型和C80型兩種灌漿料的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€呈拋物線現(xiàn)狀，且下降段更長(zhǎng)。

圖18 受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

圖19 歸一化受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

4 結(jié)論

（1）高溫下灌漿料會(huì)發(fā)生爆裂現(xiàn)象，采用烘干處理降低含水率可以避免爆裂；灌漿料隨著溫度的升高由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，高溫下的破壞模態(tài)主要為剪切破壞。

（2）灌漿料軸心抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小，在400℃之前緩慢下降，超過400℃后迅速下降。高溫下C65型灌漿料的相對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度較高；灌漿料彈性模量隨著溫度的升高而降低，在200～400℃之間下降明顯，在200℃之前，C65型灌漿料的下降較慢，200℃之后C80型灌漿料的下降較慢；灌漿料峰值應(yīng)變隨著溫度的升高而增大，在200～400℃之間增大明顯，且C65型灌漿料的增大速率更快。

（3）隨著溫度的升高，灌漿料應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€向扁平化發(fā)展。